熵:弥散的量度与时间之箭
卡诺的等式 QHTH = QCTC 暗示存在一个隐藏的量,在任何可逆循环里都回到自身。这个量就是熵 S,由 dS = dQrev/T 定义。对整个宇宙而言,它从不减少——这正是时间只朝一个方向流动的原因。
给温度为 T 的物体加热 Q,它的熵升高 QT。两个都拖一拖;同样的热,T 越低熵增越大。同样一份热,对一个冷而安静的系统的搅动,远甚于对一个本已炽热躁动的系统,所以在低 T 时买到更多无序,而这种按 1/T 加权的方式,正是熵与温度无法分割的原因。
在可逆卡诺一圈里,气体得到 +QHTH,失去 -QCTC,两者正好抵消。回到相同的熵,意味着 S 是状态量——只取决于状态,而非路径。因为 S 是状态量,两个状态之间的熵变即使实际过程不可逆,也可以沿任何方便的可逆路径来计算,这个诀窍工程师们时常倚重。
让热 Q 从热流向冷:热的一侧失去 QTH,冷的一侧得到 QTC,由于 TC 更小,总变化为正。两个物体的温度越接近,每份热造成的熵增就越趋于零,所以跨越微小温差的热流几乎是可逆的,高效换热器之所以让两股流体的温度尽量贴近,也正是这个道理。拖动温差,看它始终在零之上。
从统计上看,熵数的是一个状态能被排列的方式:S = k ln Ω。能到达更多格子的气体,微观状态更多,熵也更大。这种微观视角把两个定义缝合在一起,因为玻尔兹曼的计数恰好重现了热力学的 dQrev/T,它还解释了熵为何增大:系统漂向微观状态最多的排布,只因待在那里的方式多得压倒一切。拖动可到达的格子数。
带走三点:S 是状态量(dS = dQrev/T),宇宙的熵从不减少(ΔStotal ≥ 0,时间之箭),等号只在可逆变化时成立。下一章 D 将把这一切用于真实循环。熵还标着一张实实在在的价签:每一个不可逆步骤所产生的熵都会以损失的功显现出来,所以减少熵产就成了工程师从任何机器里榨出更多有用功的指南。